автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Разработка и исследование метода и аппаратуры для контроля волновых аберраций объективов микроскопа

г- ^Министерство общего и профессионального образования Российской Федерации САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи УДК 681.723.067:681.7.012

ВИНОГРАДОВА Галина Николаевна

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ МЕТОДА И АППАРАТУРЫ ДЛЯ КОНТРОЛЯ ВОЛНОВЫХ АБЕРРАЦИЙ ОБЪЕКТИВОВ МИКРОСКОПА

Специальность 05.11.07 - оптические и оптико-электронные приборы

Автореферат

диссертации на соискание ученой степе™ кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Работа выполнена в лаборатории микроскопии ВНЦ 'ТОЙ, им. С.И. Вавилова" Санкт-Петербург.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Кирилловский В.К.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

кандидат физико-математических наук

Демин А.В. Андреева О.В.

Ведущая организация - Физико-технический институт им. А.Ф. Иоффе (Санкт-Петербург)

Защита диссертации состоится 6 октября 1998 г. на заседании диссертационного совета Д 053.26.01 при Санкт-Петербургском Государственном институте точной механики и оптики (Технический университет) (197101, Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д. 14).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке института.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в 2-х экз.), заверенные печатью, просим направлять по указшшому адресу Ученому секретарю диссертационного совета.

Автореферат разослан

¿7/3 1998 г.

Ученый секретарь диссертационного сонета Д 053.26.01, к.т.н., доцент

Красавцев В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РЛНОТЫ

Актуальность работы.

Важнейшим элементом светового микроскопа является объектив, так как именно он определяет информационное содержание изображения объекта. Детали изображения, потерянные объективом, не могут быть иосста-новлены последующей оптикой.

Совершенствование методов расчета, разработка новых материалов и технологий изготовления создают предпосылки для расчета и производства объективов с улучшенными характеристиками изображения, увеличенным полем зрения, расширенным спектральным диапазоном и т.д., а это, в свою очередь, требует разработки и совершенствования соответствующих средств контроля.

Актуальность данной работы определяется потребностью оптического производства в совершенствовании традиционных и разработке новых методов и аппаратуры для контроля волновых аберраций и качества изображения объективов микроскопа при использовании оборудования не только в лабораторных, но и в цеховых условиях. Совершенствование и разработка соответствующих средств контроля необходима для повышения объективности и однозначности оценок и снижения трудоемкости на операциях контроля.

Цель работы.

Цель работы заключается в разработке и исследовании метода и аппаратуры для контроля волновых аберраций объективов микроскопа, позволяющих работать в цеховых условиях и не имеющих ограничений по числовой апертуре контролируемых объективов.

Задачи исследования.

Сформулированная общая цель работы включает в себя необходимость решения следующих основных задач:

1 .Разработка и исследование метода контроля волновых аберраций объективов микроскопа, в том числе и высокоапергурных.

2. Разработка и создание интерферометра для контроля волновых аберраций объективов микроскопа, позволяющего получать устойчивые к вибрациям интерференционные картины и работать и нескольких спектральных диапазонах.

3. Испытание интерферометра на серийных обьективах; сопоставление данных иитерферометрического контроля с расчетными характеристиками исследуемых объективов и данными других методов контроля.

Научна» ноиизна.

Выявлена отличительная особенность интерферометра с дифракционной волной сравнения, заключающаяся в зависимости параметров волны сравнения от аберраций контролируемого объектива.

Показано, чго контраст, распределение освещенности и динамика поведения интерференционных картин отличаются от аналогичных параметров в классических интерферометрах.

Показано, что разработанный метод и аппаратура позволяют количественно оценивать волновые аберрации объектива по деформации полос и получать информацию о фазовых искажениях в созданном им изображении точки.

Показано, что интерферометр с дифракционной волной сравнения целесообразно использовать в качестве инструмента при экспериментальных исследованиях распределения светового поля в области фокуса высо-коаперзурных оптических систем.

Практическая значимость результатов.

Разработанный метод и аппаратура позволяют проводить качественные и количественные оценки аберраций оптических систсм, в том числе иысокоаперзурных.

Простота схемного решения, отсутствие образцовых оптических деталей и устойчивость интерференционных картин к вибрациям дают возможность применять интерферометр не только в лабораторных условиях, но и в условиях производства.

Использование интерферометра с дифракционной волной сравнения в условиях производства позволяет снизить трудоемкость операций контроля объективов микроскопа на стадии их изготовления и сертификации.

Разработанный метод и аппаратура пригодны для аттестационного контроля объективов в процессе их эксплуатации.

Реализация результатов работы.

Диссертационная работа является составной частью научно-исследовательской работы 144400-060-96, выполненной при участии автора в лаборатории микроскопии ВНЦ 'ТОЙ им. С.И. Вавилова" по теме: "Исследование и разработка методов и средств объективной оценки качества оптических элементов и систем световых микроскопов и наблюдательных приборов".

Апробация работы.

Материалы диссертации докладывались и обсуждались на XXIX научно-технической конференции профсссорско-прснодапательскою состава "Теория и конструирование оптических систем", Санкт-Петербург, январь 1997 г.; на научных семинарах лаборатории микроскопии ВНЦ "ГОИ им. С.И. Вавилова", март 1996 г.; на научном семинаре в Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе, Санкт-Петербург, март 1998 г.

Публикации.

По теме диссертации опубликовано четыре статьи и две находятся в печати.

Основные результаты и положение, выносимые на защиту.

1. Предложен и разработан метод контроля высокоапертурных оптических систем дифракционно ограниченного качества изображения.

2. Разработан и создан интерферометр с дифракционной волной сравнения (ДВС) для контроля дифракционно ограниченных высокоапертурных оптических систем и проведено его исследование на серийных микрообъективах.

3. В интерферометре ДВС при смещениях точечного отверстия волна сравнения модулируется по амплитуде и фазе в соответствии с распределением светового поля в изображении точки, созданном контролируемой оптической системой.

Структура и объем работы.

Диссертационная работа состоит из введения, 7 глав, заключения, библиографического списка из 51 наименований, содержит 89 страниц текста, 32 рисунка и 2 таблицы.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении описан круг вопросов, связанных с темой диссертации, оОоснована актуальность проблемы, приведены научная новизна и основные результаты и положение, выносимые на защиту, и сформулирована практическая значимость результатов исследований.

Первая глина содержит анализ методов контроля качества оптических систем, в том числе и традиционных методов контроля качества объективов микроскопа: контроль по дифракционной точке, контроль вуалирующей засвегки поля, контроль волновых аберраций. Дана краткая характеристика достоинств и недостатков этих методов и использующейся аппаратуры.

Сутцеинующис н настоящее время методы и аппаратура для контроля аберраций объективов микроскопа обладают недостатками, заставляющими по только совершенствовать традиционные методы, ной продолжать

поиск новых методов. Определена цель работы и сформулироваиы основные задачи исследования.

Во нторой глапе проведен анализ различных методов контроля пол-новых аберраций и схем интерферометров. Для измерений волновых аберраций объективов микроскопа до настоящего времени используются интерферометры, базирующиеся в основном на схеме Тваймана. Описана оптическая схема интерферометра Тваймана, его достоинства и недостатки, а также приведены основные характеристики получаемых на нем интерференционных картин. Схема интерферометра содержит образцовые оптические поверхности, дефекты изготовления которых ограничивают контроль объективов с большими числовыми апертурами и объективов высоког о качества изображения. Из-за высокой чувствительности интерференционных картин к вибрациям, а также из-за длительности и трудоемкости перенастройки прибора при смене контролируемого объектива, интерферометр не нашел применения в качестве технологического оборудования.

На основе анализа схем интерферометров показано, что поставленной цели наиболее полно отвечают оптические схемы, предложенные В.П. Линником и Ф. Цсрнике. Приборы, созданные на их основе, обладают весьма важными достоинствами - устойчивой к вибрациям интерференционной картиной и отсутствием образцовых оптических систем.

Сравнительный анализ схем показал, что метод Цсрнике (метод фазового контраста) пригоден для контроля низкоапергурных оптических систем, в то время как схема Линника не имеет ограничений по апертуре и, поэтому она выбрана нами для разработки метода, контроля микрообъек-тивоп.

В третьей главе описан макет интерферометра, созданный на основе схемы Линника и названный нами интерферометром с дифракционной волной сравнения или кратко - интерферометром ДВС. Оптическая схема установки представлена на рис. 1.

-3

<±г }<

Рис. 1. Оптическая схема интерферометра ДВС.

Изображение источника света 1 (ртутная лампа ДРШ 250-2) проектируется коллектором 2 в плоскость диафрагмы 3, которая расположена на расстоянии, равном тубусному, от опорной плоскости исследуемого объектива 4. Уменьшенное изображение этой диафрагмы проектируется в плоскость дифракционного препарата 5. Изучаемая интерференционная картина рассматривается в зрачке объектива 6 с помощью линзы Бертрана 7 и окуляра 9, а для проведения измерений проектируется на фотопленку 10 или на светочувствительную площадку другою приемника излучения.

Испытания установки показали, что интерференционную картину, получаемую по Линнику, т.е. при совмещении центров изображения точки и точечного отверстия, нецелесообразно использовать для оценки аберраций объективов микроскопа из-за малых изменений освещенности по интерференционному полю. Для оценки аберраций предложено использовать интерференционные картины, полученные при смещениях точечного отверстия за пределы центрального максимума в пространственном изображении точки, созданном контролируемым объективом.

Однако, динамика поведения полученных интерференционных картин, а также контраст и распределение освещенности в них, отличаются от аналогичных параметров в классических интерферометрах. Интерпретация обнаруженных особенностей требует теоретических и экспериментальных исследований и рассматривается в последующих главах.

В четвертой главе кратко изложен подход, использованный Смар-том при разработке теории интерферометра с дифракцией на точке (Р01), принцип работы которого также основан на схеме Линника [2]. Критический анализ его результатов показал, что при разработке теории метода необходимо учитывать изменение разности фаз между интерферирующими волнами, особенно при смещениях точечного отверстия за пределы центрального максимума в изображении точки.

Для моделирования процесса формирования интерференционных картин в интерферометре ДВС рассмотрен ход лучей в идеальном объективе и в предложенной модели объектива с аберрациями, названной "аберрированным" объективом. Это позволило пространственное изображение точки, созданное контролируемым объективом, представить как результат интерференции геометрического и дифракционных полей.

В пятой главе рассмотрен процесс образования интерференционных картин в интерферометре ДВС с использованием модели идеального объектива.

При сончацспин отверстия с копром кружка Эри интсрфсрсицнои-н.1я каршиа мрсдскшляс! собой равномерно освещенное поле. Разность фаз между интерферирующими волнами составляет я/2 (рис. 2а).

а)

Г х1 3

7 ¿г

. \

1 \1

6)

А I1 /1 г 3

—» 1-

1 \

1 * ^

—* \ ХИг

—* 1-

А 1 Ч]

о,

в)

Рис. 2. Схемы образования интерференционных картин.

О) - исследуемый объектив; 02 - объектив наблюдения; 1,4 -апертурные диафрагмы; 2 - плоскость изображения объектива 0{\ 3 - полупрозрачная пленка с точечным отверстием; 5 - интерференционная картина в плоскости апертурной диафрагмы 4 (затененная зона - нерабочая зона зрачка).

Фактически мы наблюдаем интерференцию волны, соответствующей кружку Эри, и волны сравнения, образуемой при дифракции на точечном отверстии. Кружок Эри и отверстие можно считать вторичными источниками света.

Интерференционные полосы в зрачке объектива наблюдения Ог образуются при смещении точечного отверстия на расстояние а в плоскости изображения (рис. 26). Если данную схему рассматривать как частный случай схемы Юнга, в которой вместо щелей используются точечное отверстие и кружок Эри, то количество полос и их угловую ширину можно определить по формулам: Ыа = 2а/р и е = Я/а, где - число полос, а -расстояние между отверстиями, р - диаметр отверстия (при р\ = р2), е - угловая ширина полосы, Я - длина волны [1]. В нашей схеме р определяется либо размером кружка Эри, либо размером точечного отверстия. Так как размер отверстия, как правило, выбирается меньше кружка Эри, то после преобразования получим

Ыа = аАх10,61Л (1)

где/11 - апертура исследуемого объектива.

Если точечное отверстие находится в светлом кольце картины Эри, а его центр совпадает с максимальным значением интенсивности света, тогда

к/1,22, (2) где к = х!л{х - аргумент функции Бесселя), а угловая ширина полосы при этом равна

е=Уа = 2А^к . (3)

Интерференционные кольца образуются в зрачке объектива 02 при смещении объектива Ох вдоль оптической оси на расстояние Ь (рис. 2в); количество колец определяется по приближенной формуле

Ыь = ЬА\!2пЯ, (4)

где п - показатель преломления среды.

Показано, что поведение интерференционных картин полосовой структуры при смещениях точечного отверстая связано с возмущением фазы волны вблизи плоскости изображения. На рис. 3 представлена последовательность картин интерференционных полос, которые обратукнея при нахождении точечного отверстия в 1, 2, 3, 4, 5 светлом кольце клрпппл

Т)ри Каждая последующая картина отличается от предыдущей не только КОЛИЧСС1НОМ полос, но и обращением контраста.

12 3 4 5

Рис. 3. Интерферограммы полос, полученные при поперечном смещении точечного отверстия.

Рассмотрено распределение освещенности в интерференционных картинах.

Выполнен расчет параметров дифракционного препарата и показано, что интенсивности интерференционных картин, полученных как при продольном, так и при поперечном смещениях точечного отверстия, оказываются практически одного порядка. Это дает возможность получать различные интерференционные картины в одинаковых условиях, т.е. без смены препарата-.

В шестой главе рассмотрен процесс образования интерференционных картин в интерферометре ДВС с использованием в качестве контролируемого объектива модели "аберрированного" объектива. Показано, что отличительной особенностью интерферометра ДВС является зависимость параметров волны сравнения от аберраций, наличие которых оказывает влияние на интенсивность и фазу волны сравнения, а также на характер распределения интенсивности по ее волновому фронту.

Параметры волны сравнения влияют на распределение освещенности интерференционного поля и контраст, а их изменения при смещениях точечного отверстия - на динамику поведения полос. Исследование интерференционных картин дает информацию о реальном распределении интенсивности в дифракционных кольцах картины Эри. Кроме того, метод по-

зволяет анализировать деформацию более дальних колец картины Эри по сравнению с методом "дифракционной точки".

Показано, что контроль аберраций по деформации полос дает возможность количественно оценивать как симметричные, так и несимметричные аберрации по традиционной методике расшифровки интерферо-грамм.

В седьмой главе описан интерферометр ДВС, разработанный и созданный на основании проведенных исследований и испытаний макета. Он предназначен для контроля аберраций в центре поля зрения.

Контроль аберраций по полю в данной работе не рассматривается, но принципиально метод и аппаратуру можно использовать для оценки аберраций в центральной зоне поля, радиус которой не превышает 1/4 радиуса поля зрения контролируемого объектива. Оценка аберраций по всему нолю требует разработки специальных механизмов и приспособлений.

Рассмотрены характеристики и требования к основным узлам и деталям интерферометра, к которым относятся осветительная диафрагма, дифракционный препарат, объектив наблюдения и механизмы смещения.

Предложено использовать дифракционные препараты с коэффициентом пропускания слоя в пределах (0,01 * 0,7)% и диаметрами точечного отверстия « У1А\, где^ - апертура контролируемого объектива.

Испытания интерферометра проводились на серийных объективах с разными значениями увеличений и числовых апертур и подтвердили возможность его испопьзования для количественной оценки волновых аберраций объективов микроскопа в пределах (0,05 + ЗА). Результаты, полученные на установке, сопоставлены с результатами, полученными на интерферометре Тваймана.

На конкретных примерах показано, что кроме традиционной оценки аберраций по деформации полос, метод и аппаратура позволяют получать информацию о качестве сборки объектива по характерноикам ишерфо-ренционных картин, связанных с модуляцией волны сравнения

При рсали ищии метода возможно создание аппаратуры как для визуальною кош роля, так и для контроля с применением высокочувствительных приемников излучения.

Интерферометр ДВС, предназначенный для визуального контроля аберраций в центре поля зрения, может быть достаточно простым по конструкции и выполненным в виде малогабаритного переносного и относительно недорогого прибора. Рекомендовано в условиях производства использовать его для проведения количественной оценки аберраций по деформации интерференционных картин и качественного контроля по распределению освещенности.

Для наиболее полной реализации возможностей этого метода, повышения его точности и оперативности необходимо создавать аппаратуру с использованием фотоэлектрических приемников излучения и последующей обработкой полученного сигнала на ЭВМ.

В заключении на основе сводок результатов по главам сформулированы результаты работы в целом и указаны возможные направления дальнейшего развития метода и аппаратуры.

Основные результаты работы:

1. Разработан метод, создан и испытан интерферометр с дифракционной волной сравнения для контроля волновых аберраций объективов микроскопа.

2. Предложено теоретическое обоснование метода на основе геометрической теории дифракции с использованием моделей идеального объектива и объектива с аберрациями.

3. Показано, что разработанный метод и аппаратура позволяют получать устойчивую к вибрациям интерференционную картину и количественно оценивать волновые аберрации в пределах (0,05-3)А по традиционной методике расшифровки интерферограмм.

4. Показано, что метод позволяет количественно оценивать как симметричные, так и несимметричные аберрации благодаря однократному

прохождению рабочей волны через контролируемый объектив; контроль несимметричных аберраций традиционными методами вызывает большие сложности.

5. Показано, что при смещениях точечного отверстия относительно пространственного изображения точки закономерно изменяется разность фаз между интерферирующими волнами, что позволяет при расшифровке интерференционной картины получать качественную и количественную информацию о распределении светового поля вблизи плоскости изображения.

6. Показано, что интенсивность, фаза и распределение интенсивности по фронту волны сравнения зависят от аберраций контролируемого объектива; проведен анализ влияния параметров волны сравнения на фотометрические характеристики интерференционных картин, исследование которых позволяет получать информацию об аберрациях оптической системы.

7. Выведены соотношения, связывающие параметры интерференционной картины с положением точечного отверстия относительно пространственного изображения точки.

8. Предложен и осуществлен принцип расчета параметров дифракционного препарата. Показано, что для контроля микрообъективов с различными значениями числовых апертур и увеличений достаточно иметь ограниченный набор дифракционных препаратов и осветительных диафрагм.

9. Полученные экспериментальные результаты позволяют рекомендовать разработанный метод для контроля аберраций объективов микроскопа как визуально, так и с помощью фотоэлектрических приемников излучения и последующей обработкой сигнала на ЭВМ.

10. Показано, что интерферометр ДВС целесообразно использокагь в качестве инструмента при теоретических и экспериментальных исследованиях распределения светового поля в области фокуса высоколиер!> рных

oiiiii'icckhx систем нннду возможности получения количественных ре-

чулыакт.

ЦИТИРОВАННАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Загорьевский АЛ. Интерферометры. - М.: Оборонгиз, 1952. - 295 с.

2. Малакара А. Оптический производственный контроль. - М.: Машиностроение, 1985. - 400 с.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ

1. Боровиков Ю.С., Розанов Ю.М., Виноградова ГЛ., Барский И.Я. Оценка

величины деполяризации, вносимой микрообъективами, при поляризационных измерениях флуоресценции микрообъектов. // Цитология. -1974. - т. 16. - № 8,- С. 1045-1050.

2. Виноградова Г.Н., Иоффе В.А., Попаян Г.В. Спектральное распределе-

ние энергетической яркости источников света, применяемых в микро-спектрофотометрии. // Информ. бюлл.: Описание научных принципов устройства новых приборов и методики пользования ими. - Пущино, ОНТИ НЦБИ. -1979. - С. 17- 20.

3. Виноградова Г.Н., ДухопелИМ., Ермачкова Н.П., Иоффе В.А. Интерфе-

рометр для контроля волновых аберраций объективов микроскопа. // Оптический журнал. -1996. - № 9.- С. 61-62.

4. Виноградова ГЛ. Образование интерференционных картин в интерфе-

рометре с дифракционной волной сравнения при контроле объективов микроскопа. // Оптический журнал. - 1998. - № 2,- т. 65. - С. 31-35.

5. Вознесенский Н.Б., Иванова Т.В., Виноградова ГЛ. Математическое мо-

делирование распределения светового поля вблизи фокуса высокоапер-турной оптической системы. /У Оптический журнал. - 1998. - т.65. - № 10. - в печати.

6. Виноградова Г.Н., Вознесенский П.Б., Домпенко В.М., Иванова Т.В. Математическое моделирование интерференционных картин в интерферометре с дифракционно формируемым волновым фронтом сравнения. // Оптический журнал. - 1999. - т.66. - № 2. - в печати.